第八章 酸、鹼與平衡
第八章 酸、鹼與平衡
學習目標
1.
2.
3.
4.
5.
6.
列舉酸和鹼的一般特徵。
敘述布忍斯特-羅瑞酸與鹼，並解釋酸/鹼及其共軛酸/鹼之
差異。敘述酸強度及其共軛鹼強度之關係。
寫出可逆反應之平衡常數，並利用勒沙特列原理解釋平
衡遭破壞後所做出之反應。
利用[H3O+] 和 pH 來確認溶液是酸性、鹼性或中性。
敘述中和及滴定之過程。
解釋溶液的 pH 如何影響某種酸及其共軛鹼的相對濃度，
並敘述緩衝劑。
2
第八章 酸、鹼與平衡
8.1 酸與鹼
ƒ 酸 (acids) 具有酸味 (例如柑橘屬植物中的檸檬
酸)，酸可以溶解某些金屬，也可以使稱為石蕊的
植物色素變成粉紅色。
ƒ 鹼 (bases) 具有苦味 (例如咖啡因或抗組織胺)，鹼
摸起來像肥皂具滑溜感，亦可使石蕊變成藍色。
3
第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ HCl命名為氫氯酸 (hydrochloric acid)，並非氯化氫
(hydrogen chloride)，雖然此兩者均為正確的學
名，但是當酸的酸性被強調時，則用酸類命名代
替二元化合物命名。
6
8.2 布忍斯特-羅瑞酸與鹼
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 1880年代，瑞典化學家斯文德‧阿瑞尼士 (Svante
Arrhenius) 提出：在水中會產生H+ 的化合物稱為
酸，在水中會產生OH- 的化合物稱為鹼。根據定
義，HCl是阿瑞尼士酸，而NaOH則是阿瑞尼士
鹼。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 1920年代，丹麥化學家約翰尼斯‧布忍斯特
(Johannes Brønsted) 與英國化學家湯瑪斯‧羅瑞
(Thomas Lowry) 提出的酸鹼定義：依據H+的轉移
而定。在布忍斯特-羅瑞 (Brønsted-Lowry) 的定義
中，釋放H+ 為酸，而接受H+則為鹼。考慮HCN與
水發生反應的方程式：
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ
方程式中的雙箭號表示該反應是可逆的。
1. 正向反應：HCN是酸 (因釋放H+而變成CN-)，
H2O是鹼 (因其接受H+ 而變成H2O)。
2. 逆向反應：H2O是酸 (因其釋放H+而變成
H2O)，CN- 是鹼 (因其接受H+ 而變成HCN)。
ƒ 家庭清潔用之氨水是一種NH3 的水溶液，此溶液
中，NH3 當作鹼 (因其接受H+ 而變成NH4+)，H2O
則當作酸 (因其釋放H+ 而變成OH-)。就其逆向反
應而言，NH4+ 是酸，而OH- 是鹼。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 化合物之差別只在於H+之存在與否者稱為共軛體
(conjugates) 。
ƒ 例如：HCN與CN-，NH3 與NH4+。
ƒ 醋酸 (CH3CO2H) 於水中的反應：CH3CO2H與
CH3CO2- 是共軛體，而H3O+ 與H2O互為共軛
體。
ƒ 注意：酸 (例如CH3CO2H) 與其共軛鹼 (CH3CO2-)
永遠在平衡反應之箭號的相反側。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 可當作酸或鹼之化合物稱為兩性的 (amphoteric) 化
合物：
ƒ 水與HCN及水與CH3CO2H的反應中，水當作
鹼，然而在水與NH3的反應中，水卻當作酸。
ƒ 其他兩性的化合物包括碳酸氫根 (HCO3-)、磷酸
二氫根 (H2PO4-) 和組成蛋白質之各種胺基酸。
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第八章 酸、鹼與平衡
8.3 平衡
ƒ
以四氧化二氮 (N2O4) 分解成二氧化氮 (NO2) 說明平衡的
觀念，此可逆反應不涉及酸和鹼：
ƒ
處理可逆反應時，可將反應物定義成出現在反應方程式
箭號左側之化合物，而產物則定義成出現在反應方程式
箭號右側之化合物。
1. 若 N2O4 被放置於密封的試管內並且加熱，則分解反
應開始進行。
2. 反應的初期，N2O4 的濃度在其最大值，而 NO2的濃度
在其最小值 (圖8.2)。
3. 當反應開始之後，正向反應的反應速率在其最大值，
而逆向反應的反應速率則在其最小值。
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第八章 酸、鹼與平衡
4. 當愈來愈多的N2O4 轉變成NO2 時，正向反應
的速率減慢，而逆向反應的速率則加快。
5. 正向反應的速率與逆向反應的速率相等之處，
則稱此為已經達成平衡 (equilibrium)。
6. 平衡時，反應物與產物的消耗及生成是同樣迅
速的，且反應物及產物的濃度不再變化。
ƒ 所謂的平衡並非指反應物和產物的濃度相等，就
每一種可逆反應而言，其反應物和產物的平衡濃
度代表著一種特定的組合。
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第八章 酸、鹼與平衡
平衡常數
ƒ 假如N2O4 和 NO2可以達成平衡，且其平衡濃度皆
可測量，則下列式子為真：
ƒ 此處的[ ]代表濃度，單位為莫耳濃度。
ƒ Keq ＝ 4.6 ×10-3，此數值即為該反應的平衡常數
(equilibrium constant)。
ƒ 以一般的可逆反應而言：
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 其中的A和B是反應物，C和D是產物，而a, b, c和d
是反應係數，則平衡常數式可以表示為：
ƒ 此等式中，分子係由產物濃度相乘而得，每一個
濃度的次方等於其係數 (假如係數是2，則濃度為
平方；假如係數是3，則濃度為立方)。分母則由反
應物濃度相乘而得，其方式與分子相同。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 某些可逆反應中，反應物和產物能以不同的相存
在。例如當固態的碘化鉛 (II) 溶解於水中時，水溶
液中將會產生鉛 (II) 離子和碘離子 (圖8.3)。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ
欲寫出反應的平衡常數式時，只需寫出會發生變
化之物種的濃度：
1. 固體的濃度等於某特定體積中存在的莫耳數，
因為此數值在某特定的溫度下不會變化，所以
固體反應物和產物的濃度可以省略不計。
2. 平衡常數式中的溶劑可被省略，此乃因溶劑的
濃度很大，且於反應過程中無顯著的變化。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ
氰化氫 (HCN) 和水反應會產生氰酸根離子 (CN-) 和鋞離
子 (H3O+)，其中水並不會出現於Keq 之中。
上述反應 Keq ＝ 4.9 ×10-10 (因該反應是一種酸-鹼反
應，其平衡常數 Keq 即所謂的酸性常數 (acidity
constant, Ka)。
2. Keq ＝ 4.9 ×10-10。其意義是[HCN]遠大於[產物]。
3. 當Keq值小於1 時，則平衡常數式中的分母 (與反應物
濃度有關) 恆大於分子 (表8.2)。
1.
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 另一酸-鹼反應：鹽酸 (HCl) 與水之反應，其平衡
常數Keq值為1.0 ×107 。
ƒ 當Keq值大於1 時，則平衡常數式中的分母恆小於
分子，意即在平衡時，產物比反應物多。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
8.4 勒沙特列原理
ƒ 利用勒沙特列原理 (Le Châtelier’s principle) 來預測
影響平衡的因素，其敘述為：當一個可逆反應被
推離平衡時，該反應將做出回應以重新建立平
衡。
ƒ 改變反應物或產物的濃度是擾動平衡的一種方
式。
ƒ 代謝產物之一的CO2即是很好的例子：紅血球內有
一種稱為碳酸酐酶 (carbonic anhydrase) 的酵素可
以催化H2O與 CO2 作用形成H2CO3 的反應。
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第八章 酸、鹼與平衡
當CO2 被加入平衡的混合物中 (例如CO2 由細胞移入
血液中)，則平衡受到影響，而且正向反應將做出回
應，以重新建立平衡。
2. 在 H2O(l) + CO2(g) → H2CO3(aq) 中，其回應包括正向
反應的速率會增加，[CO2]會減少，[H2CO3]會增加。
3. 當CO2被加入時，因反應物的濃度上升，所以正向反
應的速率會增加。當H2CO3的濃度上升時，逆向反應
的速率也會增加，最後直到正向反應的速率和逆向反
應的速率相等，因而重新建立平衡。
4. 雖然重新建立平衡之反應物和產物的平衡濃度與平衡
狀態將與最初之反應物和產物的平衡濃度不同，但是
Keq 的值保持固定不變。
1.
26
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第八章 酸、鹼與平衡
催化劑
ƒ 藉由催化劑可降低活化能而增加反應速率。當一
個可逆反應使用了催化劑，其活化能會下降，故
正向反應與逆向反應的速率均會加速。整體而
言，催化劑對於平衡或Keq的值沒有影響。
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生物化學聯結：潛水哺乳動
物、氧氣及肌紅蛋白
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 肌肉組織中含有可以儲存O2 的蛋白質，稱為肌紅
蛋白 (myoglobin)，肌紅蛋白以兩種方式存在：去
氧肌紅蛋白 (deoxymyoglobin, Mb)，它沒攜帶O2，
而氧合肌紅蛋白 (oxymyoglobin, MbO) 則它攜帶
O2。
ƒ 肌肉組織中，這兩種肌紅蛋白彼此之間以平衡關
係存在：
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生物化學聯結：潛水哺乳動
物、氧氣及肌紅蛋白
第八章 酸、鹼與平衡
1. 依據勒沙特列原理，當肌肉組織中 O2的濃度
增加，則平衡會被擾動，並造成正向反應 (Mb
+ O2 → MbO2) 的加速。
2. 如此一來，將造成極大量的O2以MbO2 儲存於
肌肉中。當肌肉在活動且身體無法趕上肌肉組
織的O2需求時，則O2的濃度會開始下降。
3. 平衡受到影響所造成之回應是：發生的淨反應
是逆向反應 (Mb + O ← MbO2)，故O2被釋放
至組織中。
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生物化學聯結：潛水哺乳動
物、氧氣及肌紅蛋白
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 鯨魚、海豚和海豹等的潛水哺乳動物停留在水面
下的時間比人類久，此種能力的原因之一是：潛
水哺乳動物的肌肉組織中，其所含之肌紅蛋白約
為人類肌肉組織中的3至10倍。
ƒ 當潛水哺乳動物在水面下時，其肌肉中的MbO2 是
O2 的主要來源，但是人類之O2 的來源則主要仰賴
肺臟和血液中的氧氣。
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生物化學聯結：潛水哺乳動
物、氧氣及肌紅蛋白
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第八章 酸、鹼與平衡
8.5 水的解離
ƒ
第八章 酸、鹼與平衡
水是兩性的化合物。例如：在HCl的存在下，水
當作鹼；在NH3的存在下，水當作酸。
一個H2O分子釋放H+ (視為酸)，而另一個H2O分子接
受H+ (視為鹼)。
2. 就逆向反應來說，H2O做為酸，而OH-做為鹼。
3. 在純水中，此種離子化 (ionization，意即離子的形成)
是自然發生的。
34
1.
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 水解離之平衡常數式可以寫成：
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
8.6 pH指標
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
[H3O+] ＞ 1.0×10-7 M 時，此水溶液為酸性 (acidic)。
[H3O+] ＜ 1.0×10-7 M 時，此水溶液為鹼性 (basic)。
[H3O+] ＝ 1.0×10-7 M 時，此水溶液為中性 (neutral)。
pH是另一種使用 [H3O+] 來表示酸鹼度大小的方式：
pH = －log[H3O+]
1. 當pH ＜ 7 時，此溶液為酸性。
2. 當pH ＞ 7 時，此溶液為鹼性。
3. 當pH ＝ 7 時，此溶液為中性。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 將pH轉換成 [H3O+] ，使用的方程式是 [H3O+] =
10-pH。例如：若pH = 2.0，則其 [H3O+] ＝ ？
[H3O+] ＝10-pH ＝ 10-2.0 ＝ 0.01
ƒ pH測定計 (pH meter) 或pH指示劑均可用來測量
pH，其中pH測定計是一種由一對能偵測 H3O+ 的
電極所構成之儀器 (圖8.7)。
ƒ pH指示劑是一種會隨著pH變化而改變顏色的化合
物，如圖8.1b所示之石蕊與圖8.8之紫甘藍菜。
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第八章 酸、鹼與平衡
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8.7 酸與鹼的強度
酸
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 愈強的酸會產生愈多的H3O+ ，且其溶液之pH愈
低。強酸在水中幾乎完全解離。例如HCl。0.1 M
的HCl水溶液，此溶液的pH＝1.0。
ƒ 對弱酸而言，例如HF，在任何時刻，只有大約8%
的分子會解離：
ƒ 0.1 M的HF(aq)，其中含約0.008 M的H3O+ 、0.008
M的F- 和0.09 M的HF，此溶液的pH大約為2.0。
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生物化學聯結：植物當作
pH指示劑
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 紫甘藍菜和其他多種植物都含有天然的pH指示
劑，若在含有各種pH值的試管中加入數毫升的紫
甘藍菜指示劑，最後將產生各式各樣的顏色 (圖
8.8)。
ƒ 隨著 H3O+濃度的變化，存在於紫甘藍菜葉內之色
素的結構會發生些微的改變。其他含有對pH值敏
感的色素尚包括葡萄皮和茄子皮。
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生物化學聯結：植物當作
pH指示劑
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第八章 酸、鹼與平衡
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 處理酸的計算時，平衡常數 (Keq) 即為已知的酸性
常數 (Ka)：
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 就HCl而言，其 Ka 值為 1.0 ×107，即在平衡時產物
會佔優勢。就HF而言，其Ka值為 6.6 ×10-4，故於
平衡時反應物會佔優勢。
ƒ HCl (是較佳之H 提供者) 的酸性比HF強。 Ka愈大
的酸，其酸性愈強。
ƒ 利用 pKa (pKa ＝ －logKa) 來表示酸的強度： pKa愈
小的酸，其酸性愈強。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
鹼
ƒ 愈強的鹼會產生愈多的OH-，且其溶液之pH愈
高。強鹼在水中會完全解離 (dissociates，意即分
離)，例如NaOH。
ƒ 0.1 M的NaOH水溶液的pH為13.0。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 當氨和水進行反應時，因為反應物 (NH3 和H2O)
的平衡濃度遠大於產物 (NH4+ 和OH-) 的平衡濃
度，所以此溶液不是強鹼性的。
NH3(aq) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH-(aq)
ƒ 愈強的酸，其共軛鹼的鹼性愈弱。例如HCl因為是
一強酸，故其共軛鹼Cl- 是一弱鹼；因為 H2O 是一
弱酸，故其共軛鹼OH- 是一種強鹼。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
8.8 酸與鹼之中和
ƒ 酸與鹼反應形成水和鹽 (離子化合物) 稱為中和
(neutralization)。例如：HCl與NaOH的反應方程
式：
ƒ HCl與NaOH之中和反應，實際上只涉及H3O+ 和
OH- 之反應且形成水：
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 中和反應中，H3O+ 和OH- 的濃度絕不會到達零，
因為水會自身解離而形成這兩種離子。
ƒ 若一種酸與一種鹼完全反應，則水解離後， H3O+
和 OH- 最終的濃度均為1.0 ×10-7，即pH＝7.0。
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第八章 酸、鹼與平衡
滴定
ƒ
滴定 (titration) 是一種用以決定酸性溶液或鹼性溶
液濃度的技術。
1. 使用滴定管 (圖8.9) 可以將恰好足量且已知濃
度的鹼 (標準鹼溶液) 加至未知濃度的酸溶液
中，藉以完全消耗其中存在的酸。
2. 消耗全部酸所需鹼的體積稱為滴定終點，而滴
定終點則可利用pH指示劑或pH測定計來決
定。
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8.9 pH對於酸和共軛鹼濃度
之影響
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 酸-鹼反應中，Ka 和 pKa 可提供該反應物和產物相
對濃度的資訊，例如：HF的 Ka 為6.6×10-4 (pKa =
3.18)，故在平衡時，HF的濃度大於 F- 和 H3O+ 濃
度的乘積。
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第八章 酸、鹼與平衡
1. 由勒沙特列原理可知：增加 H3O+ 的濃度 (降
低pH) 將造成逆向反應加速，如此將消耗 F且生成HF。
2. 減少 H3O+ 的濃度 (升高pH) 將造成正向反應
加速，如此將消耗HF且生成F-。
3. 結論：存在於溶液中之HF與F- 的相對量取決
於pH。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ
pH和酸與其共軛鹼之相對濃度間存在著有趣的關
係：
1. 當pH = pKa 時，則酸的濃度與其共軛鹼的濃度
相同。以HF (pKa = 3.18)為例：當pH=3.18時，
則[HF] = [ F-]。
2. 當pH ＜ pKa 時，則酸的濃度大於其共軛鹼的
濃度。例如：pH=1.0 ＜ pKa = 3.18時，[HF] ＞
[ F-] 。
3. 當pH ＞ pKa 時，則酸的濃度小於其共軛鹼的
濃度。例如：pH=9.0 ＞ pKa = 3.18時，[HF] ＜
[ F-] 。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 羧酸或脂肪酸在溶液中以酸或其共軛鹼的形式存
在，則取決於溶液的pH。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 典型的羧酸，其pKa 大約是5，故在鹼性條件下進
行酯類水解，產物為羧酸係以其共軛鹼的形式存
在。
ƒ 典型的脂肪酸，其pKa 大約亦為5，故在pH為7之
身體狀態下，脂肪酸係以雙極性的 (amphipathic)
脂肪酸陰離子存在。
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第八章 酸、鹼與平衡
8.10 緩衝劑
ƒ 緩衝劑 (buffer) 是一種溶液，當少量的酸或鹼加入
後，它可以抗拒該溶液pH 值的變化。
ƒ 弱酸與其共軛鹼所製備成的緩衝劑，例如：醋酸
(CH3CO2H) 和醋酸根 (CH3CO2-) 在水中所形成之
混合物。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 由勒沙特列原理可知：若在此緩衝劑中加入少量
的H3O+，平衡會重新建立，其逆向反應速率會增
加。在此過程中，過量的 H3O+ 會被 CH3CO2- 消
耗，且其pH幾乎沒有變化。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 藉由加入少量的氫氧根離子 (H3O+ + OH- → 2 H2O)
來減少H3O+ 的濃度，則會造成逆向反應速率減
緩。在平衡重新建立前，正向反應佔優勢。其結
果是減少的H3O+ 幾乎都會被替補，其pH完全維持
不變。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 當pH等於該弱酸的 pKa 時，緩衝劑最能夠抗拒pH
的變化。
ƒ 當pH在pKa 的一個單位之內時 (pH = pKa ± 1)，其
緩衝效果佳。
ƒ 醋酸的 pKa 為4.74，所以pH在4.74的緩衝功能最
好。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
血液中的緩衝劑
ƒ 人體血液pH的正常範圍介於7.35和7.45之間。血液
pH低於正常範圍稱為酸性血毒症 (acidosis)，而高
於正常範圍即為所謂的鹼性血毒症 (alkalosis)。
ƒ 血液因為內含各種緩衝劑，故能保持於如此狹窄
的範圍內，其中最重要的一種緩衝劑是由碳酸
(H2CO3) 與其共軛鹼碳酸氫根離子 (HCO3-) 所組
成。
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 磷酸二氫根離子 (H2PO4- ) 和磷酸氫根離子 (HPO42-)
是存在於血液中的另一種緩衝系統。蛋白質亦是
一種弱酸，可以提供另一種緩衝系統，故亦能幫
助維持血液pH值的穩定。
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健康聯結：呼吸性與代謝性
的酸-鹼失衡
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 血液中的緩衝劑可以幫助維持正常血液的pH值，
其範圍介於7.35和7.45之間。
ƒ 主要的血液緩衝劑是由H2CO3 與HCO3-所組成。
ƒ pH值的變化將造成呼吸性的變化或代謝性的變
化。
ƒ 當任何會妨礙肺臟交換氣體能力的情況發生時，
則造成呼吸性的酸性血毒症，例如肺炎
(pneumonia)、肺氣腫 (emphysema)、囊胞性纖維症
(cystic fibrosis) 等，甚至淺呼吸或暫停呼吸都會造
成酸性血毒症。
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健康聯結：呼吸性與代謝性
的酸-鹼失衡
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 肺臟內氣體交換不良所造成的影響是 CO2 無法離
開身體，而CO2 濃度上升將產生較高濃度的
H2CO3 ，一旦 H2CO3 增加太多，會攪亂 H2CO3 與
HCO3- 的緩衝系統，故導致pH值的下降。
ƒ 休克、酮症 (ketosis，因飢餓或糖尿病造成特定酸
的累積)、過度飲酒 (酒精代謝後產生醋酸) 和很多
其他因素，均會造成代謝性的酸性血毒症。
ƒ 症狀較輕的酸性血毒症會導致輕微的頭痛，症狀
較重者則會造成中樞神經系統的壓抑，因而導致
昏迷及死亡。
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健康聯結：呼吸性與代謝性
的酸-鹼失衡
第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 當身體排出 CO2 比細胞內產生 CO2 的速度快，因而造成
CO2 濃度下降，則發生呼吸性的鹼性血毒症。CO2 的淨流
失將造成血液中 H2CO3 的濃度下降，當 H2CO3 濃度下降太
多時，則會造成pH值的上升。
ƒ 由焦慮、中樞神經系統的損傷、阿斯匹靈中毒、發燒和其
他因素等引起之換氣過度 (hyperventilation) 是常見的病
因。
ƒ 過度使用制酸劑 (弱鹼) 和便秘 (血液中存在的 HCO3- 高於
正常量) 將造成代謝性的鹼性血毒症。鹼性血毒症特有的
徵狀包括頭痛、焦躁、痙攣，嚴重者甚至抽搐及死亡。
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第八章 酸、鹼與平衡
制酸劑
ƒ 為了幫助消化食物且活化消化酵素，人的胃會產
生一種pH值為1.5且含有HCl的溶液，稱為胃液。
ƒ 吃得過飽或壓力都會造成過多的胃液釋放，因而
引起胃部不適，為獲得暫時的舒緩，很多人都會
服用制酸劑。
ƒ 制酸劑的活性成分是一些弱鹼，最常見的是
CaCO3、MgCO3、NaHCO3、 Mg(OH)2和
Al(OH)3。
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第八章 酸、鹼與平衡
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第八章 酸、鹼與平衡
ƒ 藉由這些鹼所提供之碳酸根離子、碳酸氫根離子
或氫氧根離子可以中和存在於胃液中的 H3O+。
ƒ 過度使用制酸劑將引起鹼性血毒症，即血液pH值
高於正常值。除了鹼性血毒症之外，某些制酸劑
中所用的鹼會造成其他的副作用，例如高劑量的
Al3+ 和 Ca2+ 會造成便秘， Mg2+則具有緩瀉效應。
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